摘要：气体钻井是欠平衡钻井技术的重要组成部分,可以提高钻井速度,但接单根工况需要中断循环,容易造成岩屑沉降、井壁垮塌、卡钻等安全隐患。为此,设计了一种在气体钻进中接、卸钻具可保持气体连续循环且便于安装和拆卸的短节,其主要结构包括短节本体、主通阀、旁通阀和旁通接头,重点解决了其核心部件主通阀、旁通阀的结构设计;在对其本体进行静力学分析的基础上,运用ANSYS有限元分析软件,模拟了短节本体在受拉伸、扭转、内压工况下的受力状况。分析结果表明,其应力分布趋势与弹塑性力学分析结果相符,在短节本体两处圆孔附近产生应力集中现象,最大变形量仍然处于材料弹性变形阶段。有限元分析结果与弹塑性力学分析结果相符,能满足本体强度的要求。该成果为解决大位移井、欠平衡井、窄密度窗口井等安全钻井提供了新的方案。

摘要：针对目前智能钻井技术在工况表征、样本收集整理、数据处理及特征提取方面的不足,建立随钻安全风险智能识别方法。使用相关性分析法,确定表征气体钻井安全风险的关联参数;收集并整理20余井次安全风险时段监测数据,建立气体钻井多种安全风险数据样本库,并使用少样本扩展方法扩充样本数量。根据气体钻井随钻监测数据样本形式,设计两层卷积神经网络架构,设置多个不同大小及权重的卷积核对样本进行纵横两向卷积运算,提取并学习多个监测参数在钻进过程中的变化规律及关联特征。根据神经网络训练结果,优选各安全风险样本类别以提高识别准确率。与传统的误差反向传播(BP)类全连接神经网络架构相比,设计的方法能更深入有效感知气体钻井安全风险特征,实现高效识别和预测,有利于避免或快速解决随钻安全风险。经现场多次应用证实,气体钻井过程中各类随钻安全风险识别准确率为90%左右,具有良好的实用性。

摘要：针对气体钻水平井中岩屑在下井壁滞留和聚集的问题,设计了一种气体钻井专用稳定器,所设计的新型结构可避免稳定器处发生沉屑卡钻或减少其发生几率。基于气-固两相流理论和数值模拟技术,提出了稳定器工作性能优劣的评价指标,并研究了稳定器结构参数(流道入出口径、槽深、窄流道位置、螺旋度、螺旋棱轴向长度、螺旋棱形状)对稳定器工作性能的影响。研究表明:在气体循环介质条件下,结构参数对稳定器的工作性能影响很大,燕尾槽形的流道入出口和零端面厚度的螺旋棱导流坡面复合结构可以有效解决稳定器入、出口端的岩屑粒子反射和沉降问题。直径为215.9mm稳定器可用于气体钻井,特别是气体钻水平井中,提出的工作性能评价方法和研究结论可指导其他规格气体钻井稳定器的设计。

摘要：气体钻井现场环境恶劣,工况复杂,现用液压系统油液过滤装置过滤效果差,致使油液污染严重,液压系统中泵、阀、执行元件、管路等出现磨损、测漏、堵塞以及活动件卡死等情况,增加了对气体钻井作业的风险。对气体钻井现场所用液压系统污染源进行分析,对其建立了污染物平衡方程及污染物控制方程。根据污染物控制方程提出了液压系统过滤装置改进措施,通过多方案设计与分析,优选出过滤装置设计方案,并计算出新型过滤装置的主要设计参数。建立新型回油过滤装置的下游污染物颗粒浓度方程,并对安装回油过滤装置和无回油过滤装置的下游污染物颗粒浓度进行计算分析。结果表明:液压系统安装新型回油过滤装置时,过滤速度明显提高,下游污染物颗粒浓度明显下降,更好地满足了气体钻井液压系统对油液清洁度的要求。

摘要：气体钻井现有工艺都将环空返回到地面的携岩气体直接排放或放燃,既污染环境又浪费能源。根据气体钻井的特点,设计了由两级串联的旋风分离器与两台过滤器(一台备用)组成的气体钻井地面分离系统,对成本较高的气体钻井介质(氮气或天然气)进行回收和循环利用。通过对井口钻屑的采样分析和浓度计算,得到了旋风分离器入口钻屑的粒度分布和质量浓度范围。对旋风分离器进行的室内模拟试验结果表明,旋风分离器的分离效率稳定在99.5%以上,能够完全除净粒径大于10μm的粉尘颗粒。钻井现场试验结果显示,整个分离系统工作稳定,过滤器出口气体中钻屑的最大粒径小于5μm,质量浓度小于0.05mg/m3,已达到进入压缩机的要求。

摘要：气体钻井在我国油气田勘探开发中具有广阔的应用前景,但是川东地区多个构造实施气体钻井过程中,存在地层出水现象,严重影响了气体钻井的顺利进行,不得不改用充气钻井。充气钻井技术难点主要表现在:①井壁稳定性差,易引起垮塌卡钻;②地层出水可能与井漏同存,气液比值难以确定;③环空液柱压力降低,带砂效果差,易导致沉砂卡钻;④浅层天然气易引起井下燃爆。通过分析上述难点,结合充气钻井现场实践经验,有针对性地提出了充气钻井过程的主要技术措施:①钻井液维护处理技术;②井漏处理技术;③参数设计技术等。在川东地区3口井的现场应用效果表明:推行所提出的充气钻井技术措施,能有效避免井漏、提高机械钻速、缩短钻井周期,为川东地区遇地层出水情况下的气体钻井积累了经验。

摘要：井斜控制困难一直都是制约气体钻井技术发展的难题之一。为此,在研究带预弯结构的井底光钻铤钻具组合(BHA)动力学行为的基础上,基于拉格朗日方程建立了预弯钟摆BHA的非线性动力学模型,由简支梁静态模型求取钻头上的动态侧向力,进而设计、评价不同结构的预弯钟摆BHA在气体钻井中的控斜能力,并进行了现场验证。研究结果表明:①合理的预弯钟摆BHA在气体钻井中可以提供较大的动态降斜力,从而发挥出很好的降斜效果,当预弯短接弯角为0.75°时,BHA形心运动的最大半径较小,说明0.75°的弯角时BHA具有最佳的稳定性;②当钻头与近钻头稳定器之间为两根钻铤时,BHA的运动稳定性大幅提高,基本上处于井眼中心,这对于井眼质量控制十分有益;③所设计的预弯钟摆BHA在现场应用中能够较好的控制气体钻井井斜。结论认为,预弯钟摆BHA的动力学控制方程能够很好地描述预弯结构的运动特征,所设计的预弯钟摆BHA不仅适用于常规地层,而且在非均质性较强的砾石层钻井中控斜效果也同样显著;该研究成果对于气体钻井低成本控斜技术发展具有很好的推动作用。

摘要：气体钻井钻遇高压、高产气层后往往要进行压井作业,空井压井期间,随着压井液的注入,井筒环空气液两相流动与地层渗流产气发生耦合作用,目前国内外对此研究都很少。为此,基于地层瞬态渗流理论和井筒气液两相流动理论,建立了气体钻井空井压井过程中地层瞬态产气与井筒气液两相瞬态耦合流动数学模型及其数值求解方法。实例模拟计算结果表明:(1)气体钻井空井压井是由气相空井筒—瞬态气液两相流动—纯压井液井筒的物理过程,同时也是一个地层瞬态渗流与井筒气液两相瞬态流动耦合的过程;(2)成功的压井作业需要井口回压、泵排量、压井液密度等关键参数的共同配合,其中控制好井口回压是保证压井作业获得成功的关键。结论认为,研究成果首次量化了气体钻井压井过程,对气体钻井空井压井施工参数的优化设计具有指导意义。

摘要：气体钻井过程中由钻柱运动(包括公转和纵向共振)引起的钻具疲劳断裂,造成了大量的井下钻具事故,成为推广应用气体钻井技术的障碍。为此,设计开发了气体钻井用抗疲劳短节:该短节组装采用花键联接;通过对轴向冲击力作用的下部钻具力学仿真分析,钻进中抗疲劳短节的花键芯轴与花键外筒产生相对位移,压缩筒内二甲基硅油吸收冲击力,从而使安装抗疲劳短节的钻铤应力水平降低30%。现场应用结果表明:安装应用抗疲劳短节的钻柱扭矩参数变化不大,钻进平稳且未发生跳钻现象,钻头受力均匀,钻时比较稳定;出井的短节经探伤检测合格级别为I级,进一步验证了抗疲劳短节可以有效预防钻柱在气体钻井中所产生的钻具疲劳断裂问题,有利于钻柱在气体钻井中长期安全工作。

摘要：基于CFD技术,通过建立井底流场计算模型,运用数值模拟的手段,对气体钻井的三牙轮钻头井底流场进行了数值模拟,并分析了喷嘴侧倾角、前倾角和后倾角对井底流场的影响。结果表明:三喷嘴不同侧倾角设置比相同侧倾角设置更利于井底清岩;三喷嘴复合前倾角比复合后倾角的井底清岩能力更强,但对牙轮切削结构的清洗效果较差;在不改变气体排量的情况下,通过三喷嘴混合复合前倾角和后倾角的方式,可以在保证一个相对较好的井底清岩能力的情况下,提高射流对牙轮切削结构的清洗能力和环空的携岩能力。分析结果为气体钻井系列牙轮钻头的设计、评价以及现场气体钻井的技术措施提供了理论指导。